Klimaat in het brandpunt
Ad Vermaas
Grootte van het Agulhaslek bepaalt mede de sterkte van de Warme Golfstroom Het warme en zoute water dat rond de punt van Zuid-Afrika de Atlantische Oceaan in lekt, versterkt de AMOC. Zoals bekend zorgt het relatief warme water dat met de Noord-Atlantische Drift naar ons toe stroomt ervoor dat wij, voor onze breedtegraad, zachte winters hebben. Nu is er in de afgelopen jaren door heel wat onderzoekers geopperd dat, door de mondiale opwarming, die stroom met relatief warm water zou kunnen verzwakken. Als gevolg van de grotere hoeveelheid zoet smeltwater dat van de Groenlandse ijskap in de oceaan stroomt. Daardoor wordt het afzinken van het water belemmerd, en dat is nu juist de motor van de AMOC. Dit is aan de orde geweest in Weerspiegel januari 2006. Sinds een aantal jaren echter blijkt al maar meer dat het destijds geschetste beeld te simpel is. De stromingen in de Atlantische Oceaan staan niet op zichzelf, maar zijn verbonden met die in de Indische en Stille Oceaan. Zo blijkt o.a. dat een klein deel van het warme en zoute water van de Agulhasstroom vanuit de Indische Oceaan, onder de zuidpunt van Afrika langs, naar de Atlantische Oceaan ‘lekt’. Door de input van dit warme en zoute water wordt de Warme Golfstroom en de Noord-Atlantische Drift krachtiger. Hoe groter het Agulhaslek, hoe meer de AMOC (Atlantic Meridional Overturning Circulation) wordt versterkt. Uit diverse onderzoeken is gebleken dat in de laatste decennia het Agulhaslek groter is geworden. Vermoedelijke oorzaak is de mondiale opwarming. Met andere woorden: aan de ene kant zorgt de opwarming voor meer zoet smeltwater van de Groenlandse ijskap, en hiermee voor een zwakkere AMOC, maar aan de andere kant bewerkstelligt diezelfde opwarming een groter Agulhaslek, en daardoor een versterking van de AMOC. Hoe de combinatie van beide in de toekomst zal uitwerken, is zeer ongewis. Onlangs verscheen een overzichtsartikel in Nature waarin een grote groep gerenommeerde onderzoekers (waaronder wetenschappers van het IMAO, de VU en het NIOZ) de stand van zaken volgens ca. 100(!) publicaties op een rij zette. De Agulhas stroming De Agulhasstroming is een oceaanstroming langs de oostkust van zuidelijk Afrika en is genoemd naar Kaap Agulhas, de meest zuidelijke punt van Afrika. Zuid van die Kaap strekt zich het continentaal plat nog enkele honderden kilometers zuidwaarts uit, nog verder zuidwaarts wordt de oceaan snel dieper. In figuur 2 is te zien dat de Agulhasstroom het continentaal plat volgt langs de oostkust van Mozambique en ZuidAfrika en daarna z’n weg vervolgt langs het continentaal plat in een zuidwestelijke richting, om vervolgens zuid van Kaap Agulhas scherp om te buigen naar het oosten (Agulhas return current). Dit, door de Corioliskracht en omdat de stroming in het gebied komt met de steeds sterkere westelijke winden, en in de buurt komt van de sterke Ostroming rond Antarctica.
Western Boundary Current Zolang de stroming de kust van zuidelijk Afrika volgt, is het een zogenaamde western boundary current; een stroming die aan de westzijde wordt begrensd. De combinatie van het heersende windveld en de draaiing van de aarde (met als gevolg een Corioliskracht die afhankelijk is van de breedtegraad) zorgt ervoor dat zo’n western boundary current een krachtige stroming is, met stroomsnelheden in de orde van 1m/s. Dat is 10 tot 100 maal krachtiger dan op andere plaatsen in de oceaan. Die relatief hoge stroomsnelheid zorgt er voor dat de golven ten zuiden van Kaap Agulhas, bijzonder hoog kunnen zijn. Dit omdat daar de stromingsrichting van het water tegengesteld is aan de overheersende westelijke windrichting. De zogenaamde freakwaves, monstergolven, bereiken soms een hoogte van 30(!) meter.
Invloed op regionaal klimaat Het water van de Agulhasstroom is aanzienlijk warmer dan de omgeving. Ter hoogte van de stroming zijn de fluxen van de voelbare en latente warmte zo’n 3 tot 5 keer groter dan elders boven de Oceaan. Dit heeft aanzienlijke gevolgen voor het klimaat in de regio. De atmosferische grenslaag is er dieper, er is meer convectieve bewolking en het is een voorkeursgebied voor de vorming van depressies. Het warme Agulhaswater kan ook bijdragen aan perioden met extreme regenval en aan tornado’s in Zuidelijk Afrika. De gevolgen zijn het sterkst wanneer de Agulhasstroom extra warm is en dat blijkt weer samen te hangen met de ENSOcyclus (El Niňo/ La Niňa). Die cyclus lijkt trouwens ook de grootte van het Agulhaslek te beïnvloeden. Bovendien lijkt het er op dat de gevoeligheid van de Agulhasstroom voor de ENSO cyclus sinds 1970 is toegenomen.
Figuur 1. Kaap Agulhas is de meest zuidelijke punt van Afrika. De naam is bedacht door Portugese zeevaarders , zo’n 500 jaar geleden. Agulhas betekent naalden. In die regio valt namelijk het magnetische noorden samen met het geografische noorden; de kompasnaald wijst er dus exact noordwaarts.
Figuur 2. De Agulhasstroming en de temperaturen van het oppervlaktewater in de Indische en de Atlantische Oceaan rond zuidelijk Afrika. De Agulhasstroom volgt de oostkust van Afrika en vervolgens het continentaal plat, om bij ca. 40º Z.Br. scherp om te buigen in oostwaartse richting (retroflectie). Aan de kleuren is goed te zien dat het Agulhaswater in die retroflectiezone warm is ten opzichte van het water van de aangrenzende Atlantische Oceaan. Voorts zijn ook de locaties van allerlei onderzoeksprogramma’s aangegeven. Nederlandse inbreng is er wat dit betreft voor INATEX (Indian-Atlantic Exchange in Present and Past Climate), CLIMATCH (onderzoek aan koraalafzettingen in het programma Climate and Anthropological Change) en voor MASMA (Marine and Coastal Science for Management).
Agulhasringen Behalve veel warmer, is het water uit de Agulhasstroom ook aanzienlijk zouter (door de hoge watertemperatuur verdampt er meer water; het zout blijft achter) dan het Atlantische water. Dat warme en zoute water stroomt in de retroflectiezone niet volledig oostwaarts terug de Indische Oceaan in. Om de paar maanden snoert zich een lus van dit warme en zoute water af, om vervolgens in de Atlantische Oceaan terecht te komen en daar opgenomen te worden in de stroming. Dit verschijnsel van het ‘lekken’ van warm en zout water naar de Atlantische Oceaan staat bekend als het Agulhaslek. Het grootste deel van het ‘gelekte’ water bestaat uit zogenaamde Agulhasringen. Dat zijn wervels warm en zout water met een diameter van enkele honderden kilometers. Met infraroodopnamen uit satellieten zijn het heel opvallende verschijnselen. Maar niet alleen in de bovenste lagen is het water warmer en zouter, ook tot op grotere diepten blijkt die anomalie waarneembaar. Zie figuren 4 en 5.
Figuur 3. Temperatuur van het oppervlaktewater rond zuidelijk Afrika. De Agulhasstroom springt er uit als een rode (warme) smalle zone. Ook na de retroflectie is het oostwaarts stromende water aanvankelijk nog aanzienlijk warmer dan de omgeving. Let verder ook op de grote temperatuurgradiënt iets verder zuidwaarts. Het temperatuurverschil tussen het water van de Agulhasstroom en dat wat rond Antarctica stroomt, is enorm.
Naast ringen lekt er ook warm en zout water als draadvormige structuren en als wervels de zuidelijke Atlantische Oceaan in. Omdat er eens in de paar maanden zo’n ring wordt afgesnoerd, is de grootte van het lek niet constant, maar varieert van maand tot maand. Maar ook op een tijdschaal van decennia tot millennia treden variaties op. Lek groter in laatste decennia Uit de onderzoeksresultaten van de afgelopen jaren komen tal van aanwijzingen naar voren dat de hoeveelheden warm en zout water die de zuidelijke Atlantische Oceaan in lekken, in de afgelopen decennia aanzienlijk groter zijn geworden. Hoewel er nog altijd veel onduidelijkheden zijn die vragen om nader onderzoek, zijn er al wel een paar conclusies te trekken: 1. De Agulhasstroom is sinds de 60-er jaren warmer geworden en de oostwaartse retourstroom heeft een zuidelijker positie gekregen. Dit hangt samen met het zuidwaarts opschuiven van het subtropisch front (STF), de zone met de sterkste westelijke winden. Zie ook figuur 6.
2. In het zuidoosten van de Atlantische Oceaan is de totale bewegingsenergie van de warme wervels toegenomen. Dit, als gevolg van meer ringen en wervels en grotere hoeveelheden warm en zout water uit de Agulhasstroom. De toename wordt geschat op 1,4 – 4 Sv/decennium. (Sv staat voor Sverdrup, een eenheid om de grootte van een waterstroom weer te geven; 1Sv is gelijk aan een 3 miljoen m water per seconde). Die toename is (maar) een paar procent van de totale sterkte van de Agulhasstroom, en nog geen 10% van de hoeveelheid die met de Golfstroom langs de kust van Florida stroomt, maar aan de andere kant is het wel een immense bel water: zo’n 500 keer zo veel als er door de Rijn ons land in komt! Als gevolg van een toename van het lek bij zuidelijk Afrika, blijkt ook het Atlantisch water dat voor de kust van Noord-Brazilië noordwaarts richting evenaar stroomt, zouter te zijn geworden. Samenhang groter Agulhaslek en zuidelijker STF De constateringen dat het Agulhaslek groter wordt, terwijl het STF naar het
zuiden opschuift zijn twee verschijnselen die vermoedelijk sterk met elkaar gekoppeld zijn. Het zuidwaarts opschuiven van het STF is hoogstwaarschijnlijk het gevolg van de mondiale opwarming. Daardoor wordt
de afstand tussen de zuidpunt van Afrika en het STF groter, en dat biedt de Agulhasstroom een groter gebied voor het lekken van warm en zout water, totdat de stroom de zone van de sterke westelijke winden bereikt en
Figuur 4. Temperatuur van het oppervlaktewater ten tijde van de Agulhahasring Astrid, in maart 2000. De kleuren geven de temperatuur weer. Rood is 26-27º, oranje 25º, geel 23-24º en lichtgroen 21-22º.
Deel lekwater versterkt AMOC Van het water dat via het Agulhaslek in de zuidelijke Atlantische Oceaan terechtkomt, voegt een gedeelte zich bij de circulatie in de zuidelijke Atlantische Oceaan, d.w.z. de stroming die voor de kust voor zuidelijk Brazilië langs loopt (figuur 6). Een ander deel komt terecht in de Atlantische/Indo-Pacifische supergyre, een stroming die alle drie de oceanen verbindt (figuur 6). Een derde deel tenslotte vloeit NW-waarts om langs de noordkust van Brazilië noordwaarts de evenaar over te steken en onderdeel te worden van de AMOC (Atlantic Meridional Overturning Circulation), de stroming waar ook de Warme Golfstroom en de Noord Atlantische Drift onderdeel van uitmaken. Hoewel de hoeveelheid Agulhaswater dat de Golfstroom bereikt relatief klein is t.o.v. het water in de Golfstroom zelf (vermoedelijk minder dan 10%), kan het, omdat het Agulhaswater
oostwaarts buigt. Een warmere wereld en een groot Agulhaslek horen blijkbaar bij elkaar.
Figuur 5. Metingen van potentiële watertemperatuur (links) en zoutgehalte (midden) ten tijde van de Agulhasring Astrid op een lijn ZO-NW, zoals aangegeven in het rechterdeel. De metingen zijn verricht over het totale diepteprofiel, tot ca. 5000 m diep. Vooral tot een diepte van 1000m geeft de Agulhasring een sterke anomalie wat betreft de temperatuur en het zoutgehalte. Door de hoge temperatuur van het oppervlaktewater van de Agulhasring, is de verdamping boven dat gebied groter dan in de omgeving. Daardoor kan de zout-anomalie lang blijven bestaan.
relatief zout is, toch van grote invloed zijn op de sterkte van de AMOC. Voor de aandrijving van de AMOC is het namelijk essentieel dat het oppervlaktewater op bepaalde plaatsen bij Groenland, IJsland en in de Noordelijke IJszee naar grote diepte zinkt (figuur 7). Om daarvoor zwaar genoeg te zijn moet het niet alleen voldoende zijn afgekoeld, maar ook zout genoeg zijn. In Weerspiegel van januari 2006 is dit al eens aan de orde geweest en toen werd gesteld dat door grotere hoeveelheden zoet smeltwater van de Groenlandse ijskap, dat afzinken in de toekomst mogelijk een probleem zou kunnen worden. Input van zout Agulhaswater kan de verzoeting van het NoordAtlantisch water tegengaan en zo de AMOC een extra impuls geven. Wel duurt het zo’n 15-30 jaar voordat het zoute water de noordelijke Atlantische Oceaan heeft bereikt. Een groter lek nu heeft dus pas op termijn effect voor de AMOC, en daarna kan het
nog enkele eeuwen duren voordat zich een nieuw evenwicht heeft ingesteld. Ook Zuid-Atlantisch windveld beïnvloedt AMOC Overigens laten oceaan-atmosfeer gekoppelde klimaatmodellen zien dat er in een warmer klimaat (zoals vermoedelijk in de toekomst het geval zal zijn), naast de grootte van het Agulhaslek, ook nog een tweede mechanisme is waardoor de AMOC wordt versterkt: nl. door veranderingen in het windveld boven de zuidelijke Atlantische Oceaan (met een zuidelijker gelegen STF; figuur 6). Daardoor wordt het noordwaarts gerichte Ekmantransport versterkt en dat beïnvloedt de diepwatertak van de AMOC. Verder zou een groter Agulhaslek ook ingrijpende gevolgen kunnen hebben voor de hoeveelheid CO2 die vanuit de atmosfeer in het oceaanwater wordt opgeslagen. Dat is echter nog
een onderwerp dat goeddeels onbegrepen is en waarover zowel de
modellen als de wetenschappers allesbehalve unaniem zijn.
Figuur 6. De Agulhasstroom is onderdeel van een grootschaliger circulatie in het zuidelijk deel van de Indische Oceaan. Deze grootschalige circulatie wordt aangedreven door de ZO-passaatwinden in het noordelijk deel en de (sterke) westelijke winden in het zuidelijk deel. De zuidelijke begrenzing ligt net ten noorden van 45º Z.B. Rond die breedte ligt dan de aarde omspannende Atlantisch/Indo-Pacifische supergyre en net ten zuiden hiervan het Subtropisch Front (STF). Zuid van dit front is het domein van de Circumpolaire Antartctische Stroom. De kleuren in deze figuur geven in dit geval niet de temperatuur van het oppervlaktewater weer, maar zijn een maat voor de sterkte van de stroming. Het Agulhassysteem is duidelijk een krachtiger stroming dan de overige in deze figuur. De curve aan de rechterkant geeft de gemiddelde windstress weer tussen 20 en 110º O.L. (de sector van de Indische Oceaan) voor de perioden 1965-74 en van 1995-2004. Een vergelijking van de twee tijdvakken leert dat het gebied met de sterkste westenwinden (het subtropisch front STF) in die 30 jaar enkele graden naar het zuiden is opgeschoven en dat de sterkte van de westenwinden is toegenomen.
noordelijke Braziliëstroom en steekt daarmee de evenaar over richting Golf van Mexico. Voor de aandrijving van de AMOC is het van groot belang dat er bij Groenland voldoende oppervlaktewater afzinkt, maar vervolgens als dieptewater weer zuidwaarts te vloeien.
Figuur 7. De koppeling tussen het Agulhaslek en de AMOC. Een deel van het warme en zoute water uit het Agulhaslek bereikt de
Figuur 8. Gegevens uit mariene sedimenten tot 570.000 jaar 18 terug. a. Afwisseling glacialen/interglacialen uit O.
b. Grootte van het Agulhaslek op grond van warmteminnende mariene fauna. c. Positie van het STF uit subtropische en subantarctische zeefauna. d. Oppervlaktetemperatuur van het
Het Agulhaslek en de AMOC tijdens de ijstijden In de afgelopen decennia zijn uit monsters van de oceaanbodem ter plaatse van het Agulhaslek, heel wat gegevens verzameld wat betreft het zeeleven daar. Via de tot nu toe beschikbare bodemmonsters kan men tot ca. 570.000 jaar terug in de tijd kijken. In die sedimenten heeft men vooral gekeken naar de gefossiliseerde kalkskeletjes van de planktonische foraminiferen. Dat zijn eencellige dierachtige organismen die zweven in het water, waarin ze tot op grote diepten kunnen voorkomen. Er zijn tal van verschillende soorten, elk met hun eigen voorkeursmilieu en – temperatuur. In de paleoklimatologie worden deze plantonische foraminiferen heel vaak als indicator gebruikt, omdat de verhouding van de zuurstofisotopen in het kalkskelet (δ 18O) informatie bevat over de zeewatertemperatuur en de hoeveelheid landijs. Die periode van 570.000 jaar omspant een aantal ijstijden. Of, liever gezegd, een afwisseling van glacialen (koude perioden met veel landijs) en interglacialen (warmere periode tussen twee glacialen in). In figuur 8 is deze afwisseling van glacialen en interglacialen weergegeven door de bovenste curve. Hierbij is gebruik gemaakt van de hoeveelheid van de isotoop 18O. Let op bij het lezen van deze figuur: het heden staat links. De rechterkant geeft de situatie 570.000 jaar geleden weer. Om te zien wat er gebeurt bij een voortschrijdende tijd, moet de figuur van rechts naar links worden gelezen. De tweede curve toont dat tegen het einde van een ijstijd, de hoeveelheid warmteminnende zeefauna ter hoogte
zeewater volgens twee verschillende methoden. e. Sterkte van de AMOC op grond van deep water ventilation.
van het Agulhaslek sterk toeneemt, wijzend op warmer Agulhaswater en een groter Agulhaslek. Agulhaslek eerder oorzaak van einde ijstijd dan gevolg Het feit dat de toename al optreedt vanaf enkele duizenden jaren voor het definitieve einde van de ijstijd wijst er op dat het grotere Agulhaslek niet het gevolg is van de mondiale opwarming, maar (mede) de oorzaak. Of dat het vergrote lek een trigger is, die een aantal andere veranderingen in gang heeft gezet. Van de periode rond het einde van de laatste ijstijd is een hoge resolutie analyse beschikbaar en ook hieruit is af te leiden dat het Agulhaslek een triggerfunctie heeft vervuld. De middelste curve in figuur 8 laat zien dat het subtropisch front (STF) ten tijde van de ijstijden aanzienlijk noordelijker lag dat tijdens de interglacialen. Een vergelijking tussen de bovenste twee en de onderste curve leert dat een groter Agulhaslek vaak samengaat met een sterkere AMOC. Wel is het zo dat de overeenstemming niet 100% is. Het Agulhaslek is dus zeker niet de enige factor die de sterkte van de AMOC bepaalt, maar vermoedelijk wel een belangrijke, zeker wanneer het de omslag van een glaciaal naar een interglaciaal betreft. De gegevens uit het ijstijdenverleden en die uit de afgelopen decennia wijzen grotendeels in dezelfde richting. Ten tijde van een ijstijd is het Agulhaslek klein, het STF is dan een aantal graden naar het noorden opgeschoven en de AMOC is veelal zwak. Het Agulaslek lijkt een trigger-
functie te hebben die leidt tot het einde van een ijstijd. Tijdens een interglaciaal, zoals we ook de afgelopen 10.000 jaar meemaken, correspondeert een warme periode met een zuidelijker ligging van het STF en een groter Agulhaslek. Helemaal eensluidend is het plaatje echter nog niet. Zo is er ook waarnemingsmateriaal dat op enkele punten sterk afwijkt. In één geval zijn er sedimentgegevens die er op wijzen dat het Agulhaslek al in een veel vroeger stadium begon toe te nemen, en niet pas tegen het einde van de ijstijd. Kortom, nog veel meer onderzoek is nodig en via een aantal programma’s die op stapel staan of al in gang zijn gezet (figuur 2) zal dat ook worden uitgevoerd. Ook dit overzichtsartikel geeft dus zeker nog niet het definitieve antwoord op de vraag wat de rol is van het Agulhaslek op het mondiale klimaat en op de aandrijving van de AMOC. Maar wat het overzichtsartikel in ieder geval wel laat zien is dat, als men wil onderzoeken wat de AMOC aandrijft en door welke impulsen deze sterker of zwakker wordt, het kortzichtig is om alleen naar de noordelijke Atlantische Oceaan te kijken. In plaats daarvan moet een holistische benadering worden gekozen, waarbij vooral ook de zuidelijke Atlantische Oceaan en het Agulhaslek worden betrokken als krachtige modulatoren voor de AMOC. Bron: Liza M. Beal e.a., Nature 472, 429-36, On the role of the Agulhas system in ocean circulation and climate.
